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像居裏夫人壹樣的科學家有哪壹些?要短的事跡

戴維和他“最偉大的發現”

就在拉瓦錫在法國科學院宣讀他有關燃燒的氧化理論的1775年,在英吉利海峽彼岸,英國發明家瓦特與博耳頓合辦的工廠開始大量生產和銷售蒸汽機。蒸汽機把火轉化為動力,發生了動力革命,給人增添了無窮的力量。

作為蒸汽機和工業革命發源地的英國,這壹時期的科學技術蓬勃發展。數盡風流人物,下面要講的是英國化學家戴維、法拉第和建立原子論的道爾頓。

1778年12月17日,漢弗萊·戴維出生於英國的彭贊斯。他的父親 是壹位木雕師,母親十分勤勞,但他們的生活並不富裕。父母含辛茹苦地養育著戴維和他的四個弟妹,並希望漢弗萊和他的弟弟受到良好的教育。

戴維幼年時活潑好動、富有情感,愛好講故事和背誦詩歌,時常還編些歪詩取笑小夥伴和老師。他成績最好的功課是將古典文學譯成當代英語。即使最喜歡的功課也比不上戴維對釣魚、遠足的喜愛。有時玩兒得高興,竟忘記了上課。幸好他頑強的母親對他的學習非常重視,且很有耐心,使他能夠較好地完成學業。

在這種自由、愉快的童年生活中,戴維有足夠的時間思考、想象,形成了他熱情、積極、獨立、不盲從、富於創造的個性。他所在的學校是十八世紀末年康沃爾壹地較好的中學,戴維在這裏學到了多方面的知識,例如神學、幾何學、外語和其他學科知識。他還閱讀了大量的哲學著作,例如康德的先驗主義書籍。

家境變遷後的長兄

15歲以後,由於父親病重,家境貧困,戴維開始輟學。1794年,父親病逝。還不到16歲的戴維忽然感到了作為長兄的責任。1795年,他壹改頑童的習氣,到彭贊斯鎮的外科醫生兼生理學家波拉斯處當學徒。在那裏,戴維接觸到許多知識豐富的人,很受激勵,遂制定了龐大的自學計劃,僅外語就有七門之多。他還利用現成的藥品和儀器開始了他最初的化學實驗訓練。1797年戴維閱讀了尼科爾森寫的《化學鋅典》和拉瓦錫的名著《化學概要》,大大地豐富了他的化學知識。在這壹時期他結識了蒸氣機的發明者詹姆斯·瓦特的兒子格利高利·瓦特以及後來繼戴維任過英國皇家學院主席的吉迪。吉迪允許戴維利用他的圖書,還介紹戴維到克利夫頓的博萊斯家族所擁有的十分完備的圖書室中閱覽,使戴維有機會進行廣泛的涉獵,為以後的發明創造打下了堅實的基礎。

在克利夫頓,英國物理學家貝多斯創建了壹所氣體研究所,目的是研究各種氣體對人體產生的生理作用,希望能由此找到壹些具有醫療作用的氣體,同時還有搞清楚哪些氣體對人體是有害的。研究所需要壹位優秀的化學家,貝多斯就聘請戴維任職。戴維研究的第壹種氣體是壹氧化二氮。按照美國化學家米切爾的觀點,壹氧化二氮對人體是有害的,當任何人吸入這種氣體後就會受到致命的打擊。戴維並不盲從米切爾,他反復進行試驗,發現壹氧化二氮對人體並無害處,人吸入了這種氣體後,會產生壹種令人陶醉的感覺,所以戴維建議,壹氧化二氮可以用在外科手術上。戴維關於壹氧化二氮對人體的作用的論著在1800年出版,對壹氧化二氮的麻醉作用進行了全面的評價,認為它是有歷史記錄以來最好的麻醉劑。從此,牙科和外科醫生開始利用壹氧化二氮做麻醉劑;馬戲團的小醜也要在上場之前吸壹點壹氧化二氮,因為它對人的面部神經有奇異的作用,能使人產生意味不同的狂笑。壹氧化二氮被人稱為“笑氣”而傳播開來。除此之外,戴維還研究包括二氧化氮和壹氧化碳在內的各種氣體對人體所產生的生理作用。顯然,研究這兩種氣體是十分危險的,但是戴維還是堅持做下去,並且鼓勵他的弟弟約翰·戴維也來做這種冒險的實驗。

戴維在進行氣體研究時,在定量實驗研究方面顯示出很強的能力,他的容量分析實驗技術是十分高明的。他的研究工作的特點是肯花強度很大的勞動,但卻能以驚人的速度獲得實驗結果,而且在使現有儀器去適應新的課題研究方面表現出特殊的創造性。他對於重復和證明別人的發現不感興趣,但在創新上卻表現出很大的毅力。

戴維關於壹氧化二氮呼吸作用的論著使他大大地出了名,從此他的化學生涯有了壹個好的開端。

伏打發明電堆的消息公布以後,尼科爾森和卡裏斯爾報告了他們利用伏打電堆將水分解成氫氣和氧氣。了解到這些新的發現後,戴維立即投身到這個研究領域,並發表了論文,例如1800年發表在《尼科爾森自然哲學雜誌》上的“化學和工藝”壹文。戴維在研究中不但利用了伏打電堆這種當時先進的實驗工具,而且總是保持了最清醒的頭腦,探索前人在實踐和理論方面是否還有不足之處。伏打壹直認為電堆中的電流僅僅是由於兩種不同的金屬接觸以後產生的,但是戴維則是第壹個認識到這種“接觸理論”的不足的化學家,他認為電流不只是由於接觸才產生的,實際上是由於電堆中發生了化學反應而產生的。他還指出,在電解池中,由於電流的作用使化合物分解成為它的組分。戴維的觀點在法國和德國受到普遍的重視和支持。

戴維還發現,如果在金屬片之間的水中不存在著氧,電堆將不能很好地發揮作用,從而得出結論,認為金屬鋅和銅(或銀)的氧化還原反應是鋅-銅(或銀)電堆產生電流的原因。由此進壹步推論,如果在電堆中用硝酸代替其中的水或食鹽溶液,電堆的效果會更好,因為硝酸的氧化性比氧氣的氧化性更強。戴維還使用了將電極分別放在二個容器中的電堆,使這些容器的溶液之間用潤濕的石棉繩相連。

上述研究成果在1801年發表,從這裏我們可以再壹次看到戴維的創新精神。

在皇家學院

這壹年,戴維被選入皇家學院,擔任學院的講師。他很高興地寫信給母親:“您大概聽說過隆福德伯爵和其他貴族所建立的皇家學院吧?這是壹所非常華麗的建築,只是還沒有把有才能的人組織進去使它發揮突出的作用,隆福德伯爵建議我到那兒工作。”事實確實是象戴維所說的那樣,自從皇家學院吸收了戴維這樣的新鮮的血液以後,(後來戴維又發現了助手法拉第,把他也選進了皇家學院)才使它成為世界上最著名的科學機構之壹。皇家學院的宗旨是傳播知識,為大部分人提供技術訓練,鼓勵新的有用的機器的發明和改進,並且舉行定期的講演以宣傳上述成果。在戴維任職期間,這種講演進行得更為頻繁,他本人就是壹位卓越的演說家,他成功地吸引了廣大的大學生、科學家和科學愛好者,其中也不乏無所事事的公子小姐來附庸風雅。於是,在很短的時間內戴維就成了倫敦的名人,而且在倫敦城裏,科學變得更加時髦起來。皇家學院成了英國科學研究的中心和講演科學的重要場所。

戴維初到皇家學院時,他的講演都是有關技術方面的課題。1805年由於發表了壹篇關於鞣革方面的論文而獲得科普利槳。1802年他為農業部門作關於農業化學的講座, 壹直持續到1812年,這是第壹次將化學應用到農業領域的嘗試,在李比希關於農業化學的著作發表以前,戴維的講座壹直被認為是農業化學方面開拓性的工作。

1806年戴維用電化學研究成果開辦了貝克林講座,內容是電解水的研究。他指出:在電解純水時,產物只有按理論比例產生的氫氣和氧氣,這與瑞典化學大師貝采裏烏斯所得的實驗結果是壹致的。但是其他研究電解水的化學家則指出,在電解水時電極的周圍會出現酸和堿,而且電解時得不到按理論比例產生的氫氣和氧氣。戴維用自己精確的實驗對上述疑問作出了回答,他指出:用在銀質儀器中進行重新蒸餾過的純水,放在金制的或瑪瑙制的容器中,並在氫氣氣氛中進行電解(這樣做可以避免新生態的氫氣、氧氣與空氣中的氮氣發生反應),只產生氫氣和氧氣,電解水的時候電極周圍產生酸和堿的原因是水的純度不夠(其中含有鹽)。在尼科爾森和卡裏斯爾電解水的實驗公布以後的六年之內,並無壹位化學家註意到上述問題,恰恰是戴維解釋了這壹疑難。他還提出利用電解作為壹種化學分析方法,並討論了電解時溶液中物質的傳輸問題。他發現在二個杯子裏分別裝上電極和導電的溶液,再在第三個杯子裏裝入中性鹽溶液,每壹個杯子裏都加入姜黃或石蕊指示劑,再用石棉繩將三只杯子中的溶液連接起來,則在電解時指示劑會在電極附近發生顏色變化。如果在裝電極的兩只杯子裏加入氯化鋇溶液,把盛硫酸的杯子放在它們的中間,三只杯子中的溶液用石棉繩連接起來,則在電解時,中間杯子裏將產生硫酸鋇沈澱,證明電解過程中物質是在傳輸的。

戴維是貝采裏烏斯電化二元論的堅強支持者。他們把化學元素分成正電性和負電性的,只有帶不同電性的元素才能化合形成中性物質,這些中性物質又能被電流極化和分解。每種元素都具有或正或負、或強或弱的電性,這決定了它們間的化學親和力——強正電性的元素與強負電性的元素間的化學親和力強,故非常容易化合,生成穩定的化合物。電化二元論貫穿當時的化學理論,起著基礎的組織和分類作用。戴維用電解方法發現多種新元素的轟動效應,促使貝采裏烏斯系統地提出了電化二元論。

電解發現多種新元素

1807年戴維在貝克林講座中描述了分離出金屬鉀和鈉的過程。前壹年他開始采用新的電解的方法來研究化學元素。拉瓦錫曾經認為化學家關心的不是元素,而是那些當前還不能夠被分解的物體。當時曾經有人將堿、蘇打、鉀草堿(從草木灰中提煉出來的碳酸鉀)當作不能被分解的物體,但是拉瓦錫卻拒絕把它們列入不能被分解的物體的名單中。受到拉瓦錫文章的啟發,戴維就想用電解的方法從碳酸鉀、碳酸鈉和堿中離析出這些化學元素。他提出了大膽的預見:“如果化學結合具有我曾經大膽設想過的那種特性,不管物體中的元素的天然電力(結合力)有多麽強,但總不能沒有限度 ,而我們人造的儀器的力量似乎是能夠無限地增大,希望新的方法(指電解)能夠使我們發現物體中真正的元素。”

戴維用了250對金屬板制成了當時最大的伏打電堆,以便產生強大的電流和極高的電壓。開始時,他用苛性鉀的飽和溶液進行電解,但是並未分離出金屬鉀,只是把水分解了。戴維決定改變這種做法,電解純凈的苛性鉀,但是幹燥的苛性鉀並不導電。他又將苛性鉀燒至熔化,接通電流後,陰極白金絲周圍很快出現了燃燒得很旺的淡紫色火苗。戴維還是壹無所獲。

待他冷靜思考後,判斷苛性鉀的確分解了,但分解產物在高溫下又立刻燒掉了。他感到壹陣輕松和振奮。晚上還有別人的宴請和舞會,戴維來不及換衣服,在外面又罩上壹件新衣服便壹陣風似的跑了。盡管實驗非常緊張,但他從不耽誤宴會。他優秀的口才、即刻成詩的能力在宴會上表現得淋漓盡致。別人的贊揚使他愉快。在社交中他充分享受著生活的激情。

倫敦城裏到處沸沸揚揚傳說著戴維分解了苛性鉀,戴維卻漸漸焦急起來。離貝克林講座只有壹個多月的時間了,怎樣得到分解產物讓大家看呢?皇家學院的創辦人隆福德伯爵已於1803年和拉瓦錫的遺孀瑪麗結婚而移居法國,現在支撐皇家學院的主要就是收費的貝克林講座,這可不能出紕漏。戴維以更大的精力投入到實驗中去。

1807年10月6日,倫敦大霧。戴維拿出壹塊苛性鉀放在空氣中觀察,壹會兒它的表面吸附了壹些水分。“這不就有了導電能力?”戴維想著,馬上便招呼他的助手準備實驗。他們將表面濕潤的苛性鉀放在鉑制的小盤上,並用導線將鉑制小盤與電池的陰極相連;壹條與電池的陽極相連的鉑絲則插到苛性鉀中,整個裝置都暴露在空氣中。通電以後,苛性鉀開始熔化,表面就沸騰了,戴維發現陰極上有強光發生,陰極附近產生了帶金屬光澤的酷似水銀的顆粒,有的顆粒在形成以後立即燃燒起來,產生淡紫色的火焰,甚至發生爆炸;有的顆粒則被氧化,表面上形成壹層白色的薄膜。戴維將電解池中的電流倒轉了過來,仍然在陰極上發現銀白色的顆粒,也能燃燒和爆炸。戴維看到了這壹驚人的發現,欣喜若狂,竟然在屋子裏跳了起來,並在他的實驗記錄本上寫下了:“重要的實驗,證明鉀堿分解了。”他把筆壹甩,本上流下了壹大團墨跡。

後來戴維在密閉的坩堝中電解潮濕的苛性鉀,終於得到了這種銀白色的金屬。戴維把它投入水中,開始時它在水面上急速轉動,發出嘶嘶的聲音,然後燃燒放出淡紫色的火焰。他確認自己發現了壹種新的金屬元素。由於這種金屬是從鉀草堿(potash)中制得的,所以將它定名為Potassium (中譯名為鉀)。後來他又用電解的方法制得了金屬鈉、鎂、鈣、鍶、鋇和非金屬元素硼和矽,成為化學史上發現新元素最多的人。

戴維在電解石灰和重土(BaO)時遭到了多次失敗,因為石灰和重土的熔點分別高達2580℃和1923℃,這麽高的溫度下鈣、鋇壹旦出現便馬上燃燒。1808年5月,戴維收到了貝采裏烏斯的壹封信,信中提到他和瑞典國王的禦醫曾將石灰和水銀混合在壹起電解,成功地分解了石灰;他們還用這種方法電解重土制得了鋇汞齊。在貝采裏烏斯的啟發下,戴維把潮濕的石灰和氧化汞按3:1的比例混合,放在白金皿中電解,制得了大量的鈣汞齊。他小心地蒸去汞,從而在化學史上第壹次得到了純凈的金屬鈣。

“氧化鹽酸”不是化合物

在研究堿金屬和堿土金屬的過程中,戴維又遇到了另壹個疑難問題,他發現堿乃是壹種氧化物,但是如果要把酸說成是含有氧,卻使他感到困惑不解。他早就了解到拉瓦錫的酸的含氧理論,拉瓦錫認為氧是酸性的起源,壹切酸中都含有氧。到底是大化學家拉瓦錫錯了,還是戴維對於酸的認識不正確?

戴維在研究碲的化學性質時發現碲化氫是壹種酸,但是它並不含有氧,使他開始懷疑氧是否存在於所有的酸中。為了尋找更多的證據,戴維開始研究起鹽酸。按照拉瓦錫的觀點,1774年舍勒用鹽酸與二氧化錳作用制得的壹種黃綠色的新氣體是氧化鹽酸,而鹽酸是由氧和另外壹種未知的基所組成的,氧化鹽酸則是由這種基與更多的氧化合而成的。但是戴維想盡了壹切辦法也不能從氧化鹽酸中把氧奪取出來。他說:“即使木炭被伏打電堆燒成白熱狀態,也不能使氧化鹽酸氣發生任何變化,我多次重復這種實驗,結果都是壹樣,因此我懷疑這些物質中是否存在著氧。”

法國物理學家、化學家蓋·呂薩克和泰納也進行了同樣的實驗,認為氧化鹽酸中並沒有氧,相反地,氧化鹽酸可能具有元素的本性。但是他們又堅信大化學家拉瓦錫的觀點是沒有錯誤的,所以雖然他們已經打開了發現氯是壹種化學元素的通道,但是結果還是無所創造。只有戴維宣稱,只要不存在水,氧化鹽酸所發生的壹切反應都不會產生氧,他認為最好把氧化鹽酸看成壹種不能被分解的物質.他認為事實表明了拉瓦錫和法國化學學派所持的見解,表面看起來很漂亮,也能令人滿意,但是從現在已經掌握的知識來考察,它不過是建立在假設的基礎上的壹種理論。於是戴維以無可辯駁的事實確認所謂的“氧化鹽酸”決不是壹種化合物,而是壹種化學元素,他將這種元素命名為Chlorine(中譯名為氯),意為黃綠色的。他認為氯和氧壹樣都可以助燃,氧化反應不壹定非要有氧氣存在,他還指出所有的放熱反應都是氧化反應。戴維的這些觀點非常出色地發展了拉瓦錫的燃燒的氧化理論。

“最偉大的發現”

當我們驚嘆於戴維敢於突破權威、尊重事實、富於創新的精神時,當貝克林講座的聽眾們為戴維不斷的發現所折服、噓嘆不已時,戴維的健康卻在透支。瘋狂地工作使他十分衰弱。就在這次貝克林講座前,他應邀到監獄考察流行的傷寒病,自己卻受到了感染。貝克林講座之後他再也撐不住了,在醫院裏幾經搶救才漸漸恢復。這期間來探望的人絡繹不絕,院方只好在大門口掛壹個告示牌,每天公布戴維當天的病情。

出院後戴維在家療養。這壹天他收到壹封信和壹本368頁裝幀精細的書,書的封面寫著:戴維演講錄。書中卻是手寫體,還有許多精美的插圖。信中寫道:“我是印刷廠裝訂書的學徒,熱愛科學,聽過您的四次演講。現將筆記整理呈上,作為聖誕節的禮物。如能蒙您提攜,改變我目前的處境,將不勝感激。——法拉第”

戴維看了感慨萬端,聯想到自己的身世,他馬上給法拉第寫信,約他壹個月後會面。

1791年9月22日法拉第出生在倫敦壹個鐵匠的家庭。他除了閱讀、寫作和算術等課程外,沒有受到正規的教育。十三歲開始,他在壹個裝訂商門下當學徒。法拉第幾乎閱讀了送到這家店鋪裝訂的所有科學書籍,其中包括《大英百科全書》的電學部分。對他影響特別深刻的壹本書是瑪賽特夫人(壹位物理學家的妻子)寫的《化學中的守恒》,他開始用他節省下來的零用錢買了壹些便宜的儀器和藥品,做起化學實驗來。在他壹位並不富裕的哥哥的資助下,法拉第聽了戴維的貝克林講座,他感到很受激勵,便精心整理了聽課筆記,拿出他裝訂書的絕活,壹本裝幀精細的《戴維演講錄》便呈現在戴維的眼前。

不久,戴維安排法拉第在他的實驗室當助理。雖然有很多清理和洗刷儀器等勤雜工作,法拉第卻能耳濡目染戴維和他的助手們有關科學的談論以及他們的實驗過程,他感到很高興。戴維很快就看出了法拉第的才能,逐漸放手讓他多參於實驗甚至獨立工作。

當時蒸汽機廣泛使用,煤炭開采供不應求,礦井的瓦斯爆炸事件頻繁。例如英國泰恩河畔的紐卡斯爾煤礦發生的瓦斯大爆炸,幾千名礦工不幸喪命。戴維響應“預防煤礦災禍協會”的號召,研制安全礦燈。在法拉第的協助下,戴維將礦燈的外面加了壹個金屬絲網做的外罩,金屬絲網導走了礦燈火焰的熱量,使可燃氣體達不到燃點,瓦斯就不會爆炸了。這種安全礦燈使用了壹百多年,拯救了全世界千千萬萬礦工的生命。

1813年秋天,戴維帶著法拉第到歐洲去旅行兼學術訪問,歷時壹年半。法拉第作為助手和侍從要為戴維夫婦做很多服務,但他卻有機會結識了許多著名的科學家,如安培、切夫路爾、蓋·呂薩克和伏特,聆聽他們的演講和談話,了解他們的科學研究活動,開闊了科學視野。正如熟悉法拉第的英國化學家武拉斯頓所說:“法拉第的大學是歐洲,他的老師乃是他所服侍的主人——戴維,以及由於戴維的名氣而使法拉第得以結識的那些傑出的科學家。”

在同戴維壹起工作的幾年中,法拉第發表的論文幾乎涉及化學的各個領域。他成功地獲得了液態氯;較早地冶煉出不銹鋼;研究了銀化合物與氨的反應;分離出多種有機物,其中最重要的是苯;發現了電解當量定律。當然法拉第最偉大的貢獻是在物理學的電磁學方面,他通過實驗發現了發電機和電動機的全部原理,極大地推動了社會的進步。他因此可以與伽利略、牛頓、麥克斯韋和愛因斯坦齊名。

1816年法拉第開始在英國皇家學院舉辦了壹系列的講演,取得了輝煌的成功。1825年他接替戴維當了實驗室主任。隨著法拉第的聲譽日高,人們常說:“戴維最偉大的發現是發現了法拉第。”這樣的戲言使戴維對法拉第產生了嫉妒。1824年,戴維反對法拉第當選為英國皇家學會(不是皇家學院)的會員,他是25個人中唯壹投反對票的。雖然法拉第順利當選,但這件事使人們感到非常的遺憾與可悲。

漢弗萊·戴維爵士

1813年戴維和法拉第在法國時,請求拿破侖建立科學獎勵制度。由於戴維的重大貢獻,他獲得了三千法郎的獎金。當時英國和法國之間正在作戰,但是戴維認為科學是沒有國界的,所以他和助手法拉第壹直在法國訪問。在此期間戴維還當選為法國科學院院士。

1820年戴維獲悉班克斯爵士得病, 後者在戴維出生以前就擔任英國皇家學會主席,戴維立即趕回倫敦。班克斯逝世以後,競選皇家學會主席的顯然只有二個人,壹個是戴維; 另壹個就是武拉斯頓。戴維堅信在競選中壹定能夠獲勝,而武拉斯頓則在臨選舉前夕宣布退出競選,於是戴維就在1820年當選為英國皇家學會主席,在1820—1827年期間壹直擔任此職。從此以後,皇家學會變得更加生氣勃勃,吸引了大量科學家,戴維希望這些同事都要盡力,並希望從英國政府得到最大的支持。他還建議大不列顛博物館效法巴黎的自然歷史博物館,不僅供大家參觀,也要成為研究中心。

皇家學會要求了解引起船舶的銅底殼腐蝕的原因,戴維又開始研究這壹課題,發現如果用電正性更強的金屬片(稱之為保護層)固定在銅片上,銅就不會再被海水腐蝕了。但是在試驗過程中,海生物、植物緊緊地粘附在保護層上,使船舶行駛受到嚴重的阻力,所以這項研究始終沒有成功。

1826年,由於家庭的原因,戴維結束了最後壹次貝克林講座,此後就因健康情況日益下降而退出了科學研究領域,開始到歐洲治病。1826年戴維得到了最高的榮譽,被封為漢弗萊·戴維爵士。

談起戴維的病,人們常常聯系到他那熱情得近似瘋狂的作風,以及他在化學實驗中那些大膽的行為,他的弟弟約翰·戴維在描寫他哥哥時就說過:“漢弗萊在實驗中的大膽行為是頗為有名的。他在做實驗時幾乎忘記了危險,而且每天都會發生這種冒險行動。”戴維曾經在制備三氯化氮的實驗中傷害了自己的眼睛。這樣年復壹年的毒害和瘋狂的工作使戴維的身體異常衰弱,雖然他到歐洲去遍訪名醫,但也無濟於事,過早地於1829年5月29日在瑞士的日內瓦逝世,只活了51歲。

戴維謝世後,他的弟弟替他編了壹部全集,書名是《漢弗萊·戴維爵士全集》,***九卷之多,成為化學史上的重要文獻。

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